单元式幕墙系统设计与施工技术
关键词：空间模型；以平代曲；抛物线；防水；测量；施工技术
广州珠江新城西塔项目坐落在广州市珠江新城花城大道以南，珠江大道以西，西边毗邻富力中心，南边为第二少年宫。广州珠江新城西塔项目处在新城市中轴线与珠江观景轴的焦点上，其新颖的结构体系，优美的建筑外观，已经成为珠江江畔的一道亮丽的风景线和广州市新的城市名片。
广州西塔整个建筑造型别致，首先在平面上由隐框折线玻璃拼成圆弧半径分别为71m和10m的大小圆弧，大小圆弧圆滑连接组成圆润的三角。再在高度方向有规律的按5100m为半径的圆弧层叠起来，使建筑的整个体量由底部不断向上放大，在第31层处达到峰值后顺滑的内缩，直至最顶部103层。隐含不露框的折线玻璃板块组成了璀璨夺目的各个发散的反射面，充分还原了建筑师晶莹剔透的“三角水晶体”的双曲面设计造型，形成修长、闪烁、流动的水晶效果。结构体系新颖，建筑外观优美，但是幕墙系统设计与施工的难度很大，极具挑战性。外观效果见右图。
一、单元式幕墙系统设计
1． 双曲面空间模型的构成
如左图所示，单元式幕墙的折线板块在平面上由半径为71m和10m的大小圆弧圆滑连接组成圆润的三角。在立面上大小圆弧都处在5100m为半径的圆弧上，由此形成平面以及立面上两个方向的曲度------双曲面。大小圆柱面经过层叠、平移错位、旋转、搭接四个动作最终形成圆润的三角水晶体。大小弧之间的调整格板块起圆弧过渡的作用。
大小弧板块均由矩形板块组成，单元式玻璃板块的主要分格为：酒店层：（1500，1000）×3375mm；办公层：（1500，1000）×4500mm。调整格板块由梯形板块组成。也就是说把所有的问题集中在调整格板块上，由调整格板块的特殊构造来解决以平代曲的问题。
由于每层圆柱面进行了相应的旋转，其旋转幅度以31F为界，形成了两种不同的状态：下部外倒，上部内倾。
1.1 外倾的情况
下部外倒，角度由-1.63°至0°不等；由于下部圆柱面的外倒旋转，使单元板块上部横梁处两端高，中间低，每层因角度不同而高低差不同，最大达到94mm。
1.2 内倒的情况
上部内倾，由0°至+4.59°不等，而由于上部圆柱面的内倾旋转，使单元板块横梁中间高，两边低，每层因角度不同而高低差不同，最大达到140mm。
下部外倒和上部内倾这两种状态，给单元式幕墙等压腔的构造以及如何确保幕墙水密气密性能均带来了一系列难题。
2． 单元板以平代曲的实现
对于大小弧板块来说，由于均为矩形板块，其玻璃面夹角固定为178.79度和174.27度。通过对大小弧板块的铝合金公母槽分别开模，以两套不同的模具来适应上述两个不同角度。
而对于调整格板块来说，针对其均为梯形板块的特点，采取两种不同的组合形式。对于玻璃面夹角大于176.53度的所有角度用大弧模具来调节适应。铝合金公母槽的对插角度不变为178.79度，通过旋转横梁与玻璃来实现角度变化。对于玻璃面夹角小于176.53度的所有角度用小弧模具来调节适应。铝合金公母槽的对插角度不变为174.27度，通过旋转横梁与玻璃来实现角度变化。
广州西塔幕墙双曲面造型以平代曲的模型中，单元板一定会存在四点不共面的情况，并且全部集中在调整格板块。实践证明：经过精心建模，将四点不共面（翘曲）的幅度控制在合理的范围内，单元式幕墙以平代曲是完全可以实现的。
3． 抛物线水槽的防水设计
通过上述模型可知：由于每层圆柱面进行了旋转，使单元板块的横梁出现两端与中间高低不同的情况，整个单元板块的横梁呈现出一个抛物线型。抛物线型水槽的防水设计成为亟待解决的问题。
3.1 合理构造单元式幕墙的等压腔
单元式幕墙的铝合金公母槽由于其对插的构造要求以及加工工艺的要求，形成了C形开口的截面形式。但这种截面形式对单元企料的抗扭性能有一些消极影响，为了消除这些不利影响，在铝合金公槽的中部每隔800mm设置一块铝挂钩以确保公母槽始终共同工作。同时还增加了企料的整体刚度，使公母槽的配合更加紧密，有效避免了在风压作用下铝合金公母槽张口的可能。单元式幕墙的铝合金公母槽与铝合金上下横梁的对插构造是完全靠胶条来实现其水密、气密性能和结构传力的。通过合理选用不同硬度不同压缩量的胶条，在公母槽与上下横梁的最内侧则选用较高硬度较小压缩量的胶条以确保公母槽结构的传力，确保了铝合金幕墙系统整体结构安全；而在公母槽与上下横梁的外侧选用较低硬度较大压缩量的胶条以确保槽口的始终密封从而保证幕墙的水密、气密性能，形成有效的等压腔。
3.2 有效组织单元式幕墙的排水路径
单元式幕墙的排水路径始终遵循“分层排水、错层排出”的原则，分成前腔雨水与后腔雨水两种不同情况。外界雨水通过批水胶条进入前腔后因自重而下落由单元板块的底部自然排出可称为前腔雨水。后腔雨水是指少量的前腔雨水进一步越过一次密封胶条进入后腔而形成的。后腔雨水本身数量已较少，并且在自重的作用下会沿着铝合金企料不断下落，直至在单元板块底部进入的下一个单元板块的接水槽中再由专门构造的排水小腔排出后腔进入前腔，沿着铝合金企料下落至下一单元的水平批水胶片处最后彻底排出。
3.3 单元板块间设置挡水胶皮，切断雨水汇集线路
由于整个单元板块的横梁呈现出一个抛物线型，在单元板块间设置挡水胶皮，完全切断了雨水汇集线路，使雨水能够按单元板块分块各自排出，大大减小了雨水由于长期汇集不断积聚而带来的渗漏可能。
4． 设备层及避难层单元板块的后装设计
广州西塔主塔楼幕墙总高度434米左右，总共103层，其中04F到103F均为单元式幕墙,其间12-13F、30-31F、48-49F、66-67F的全部以及73F、81F的局部为设备层和避难层。设备层和避难层单元板块的后装设计为整个幕墙单元板块的安装划分施工区段提供了可能。
二、单元式幕墙施工技术
广州西塔双曲面单元式幕墙的独特性对传统的幕墙施工技术提出了挑战，这就要求技术人员不断深入研究施工方法，改进施工工艺，总结安装规律，摸索出一条切实可行的路子。
1． 单元式幕墙结构特点
广州西塔单元式玻璃幕墙结构特点如下：
1)根据主塔楼单元式幕墙的分格图，玻璃板块形状为：长方形和梯形（调整块）两种。前者约占总量的90%。长方形玻璃板块规格主要有四种：
（1）1500×4500mm;（2）1000×4500mm（3）1500×3375mm（4）1000×3375mm
玻璃采用8+1.52PVB+8+12AIR+10半钢化夹胶中空玻璃。板块单元的最大重量可达600公斤以上。如此超大规格的单元玻璃板块，从制作、运输到安装都有很大的难度。
2)单元板块采用横滑式结构,这样不仅给施工安装带来很大方便,而且极大地提高了工程进度和质量。
3)在相邻单元板块上横梁伸缩缝处设置水槽芯套和挡水胶片，能够有效防止雨水向室内渗漏。
2． 安装总体思路
西塔塔楼幕墙总高度434米，31F层为外形最鼓处，幕墙外表面上、下两端距31F垂直距离偏移分别为8.4米和2米左右。外墙自04F到103F均为单元式板块,其间在12-13F、30-31F、48-49F、66-67F为单元玻璃百页板块及73F、81F为局部单元式玻璃百页板块。
整个外墙单元板块分如下施工区：A区（4-11F）、B区（14-29F）、C区（32-47F）、D区（50-65F）、E区（68-69F）、F区（70-104F）、H区（设备及避难层）。板块自下往上安装，各区可在不同立面同时施工，同区同立面各层可依次踏步式安装。这样，可最大限度的利用劳动力、空间和时间，以保障整个的施工工期。
幕墙板块运输采用塔吊分别在12-13F、30-31F、48-49F、66-67F和70F段设置周转卸料平台，并在每段之间设置两个临时卸料平台。70F以下各层通过转运层来安装板块，70F以上通过内庭直接将板块转运到各楼层。通过合理安排板块加工和垂直运输计划，确保将板块按时的运送到楼层，从而为板块的顺利安装创造有利的条件。
3． 单元板块的吊运和安装
A、适用于A区（4~11）层单元式幕墙的施工方法。
此部分单元板块利用总包塔吊运到12层的卸料平台，借助卷扬机将板块单元吊运至各楼层。板块吊运时，采用电动玻璃吸盘将板块运到楼层边，利用卷扬机将板块吊运至相关楼层。吊装顺序为：从东立面四层A2轴单元板块开始，按逆时针方向吊装，其步骤如下：
1. 板块吊装前的准备
① 检查准备吊装板块的完好性，核对板块标号；
② 卷场机及电动吸盘机就位，电动葫芦固定在安装层的上一层；
③ 安装单元板块吊装夹具（将水槽芯固定在横框上作为吊点）并确认其可靠性；
④ 确认对讲机通话的可靠性；
⑤ 确认所有参与吊装人员已指定位置。
2. 单元板块上行过程
① 吊装时卷扬机在指挥人员的指示下，缓缓提升板块；
② 当板块在上行过程中，转运层板块安装层和上一层均设4人负责吊运，确保板块不与楼板发生碰撞。
3. 单元板块下行过程：
① 单元板块的下行过程由板块吊装上一层的指挥人员负责指挥；
② 单元板块在下行过程应确保所有经过层都有人员监控，防止板块在风力作用下与楼体发生碰撞。
4. 单元板块的插接就位；
① 单元板块的插接就位，由单元板块吊装层和上一层人员共同完成；
② 单元板块下行至单元板块挂点与转接件高度之间相距200mm时，命令板块停止下行，并进行单元板块的左右方向插接；
③ 在左右方向插接完成后，在控制左右接缝尺寸的情况下命令板块继续下行，此时，由板块安装层人员借助操作平台负责单元体挂件与转接件的对接，板块安装层人员负责上、下两单元板块的插接。
④ 确认单元板块的挂点，左右插接，上、下插接都已安装到位后，拆除吊具，进行板块调整。
5. 单元板块的调整
① 单元板块的微调
借助水平仪通过调整高度的调节螺栓，实现板块高度方向的微调。并且对单元板块的左右接缝进行校验微调。调整完毕后将连接挂件与支座锁紧。
② 板块与结构连接节点的调整
单元式幕墙板块与结构连接节点可实现三维方向的调整：
通过连接件长条孔和挂件上调整螺栓，实现单元板块Z轴方向（上、下方向）调节；
通过支座的左右方向长条孔，实现单元板块X轴方向（左右方向）的调节；
通过支座的前后方向长条孔，实现单元板块y轴方向（前后方向）的调节；
通过铝挂件上圆弧凸起实现单元板块绕X轴旋转调节；
由于外单元板块幕墙同一层水平接缝不在同一水平线上(除31F以外),上下板块之间又存有角度,故通过全站仪利用连接支座三维调节可以确保幕墙的外形尺寸。
B、适用于B区、C区、D区和E区单元幕墙的施工方法：
1. B区单元板块用塔吊从地面按顺序吊到19层、25层和30层卸料平台，再分别运到楼层内放好；板块安装，调整等同于A区；
2. C区单元板块用塔吊从地面楼层顺序吊到37层、43层和48层卸料平台，再分别运到楼层内码放好；板块安装、调整等同于A区。
3. D区单元板块用塔吊运到55层、61层、66层卸料平台，再分别运到楼层放好；板块安装，调整等同于A区。
4. E区单元板块用塔吊运到70层卸料平台，再运到各楼层内。
吊装前，先将单元板块用电动玻璃吸盘运到安装位置楼层边，用电动葫芦起吊，然后下落到安装层上一层时，调整高度、左右进出位置，拧紧螺栓固定。
C、适用于主塔楼F区（70~102）层单元幕墙的施工方法：
单元板块的垂直运输主要是通过塔吊将其单元板块吊到70层卸料平台，然后通过内庭设置在屋顶的卷扬机将每层的单元板块运到相应的楼层。安装时,电动葫芦挂在需安装的上一层，用电葫芦起吊，然后下落在下一个单元板块对插槽中，测水平定位，用拉紧器使插入竖框中的对插件就位，定位紧固,板块安装,调整等同于A区。
D、适用于跨层部分单元板块（69~70层、70~72层、99~100层和103~104层）吊装：
①70F位于69F游泳池上方部分为跨楼层,垂直运输方案中已考虑将70F相对应的板块放置在69F,电动葫芦设置在71F,单元板块利用塔吊先吊运到71层吊装。吊装时借助跨层部分楼内搭设龙门架进行安装；
②70~72层跨层也为局部跨楼层,71F、72F相对应的跨楼层单元板块，安装时，直接从70F处利用设置在73F的电动葫芦吊装，并在相应的跨楼区域搭设架手架安装单元板块。
③99~100层跨层部分单元板吊装，先将此部分吊到101层，然后再往下吊装；
④103~104层的吊装：利用塔吊将此部分单元板块吊到屋顶圆环状平台上。再采用自制旋转式吊车（利用擦窗机轨道移动）将单元板块吊到103层和104层安装。
E、收口板块单元的吊装：
每层收口板块单元均处于轴线左侧，该板块单元属于双母槽单元板块，须在其两侧板块单元安装完毕，且其洞口经检查符合要求后才能吊装。吊装前，板块单元从安装层之上层往下吊，当板块单元下落到洞口时，必须对准板块公母槽位置，然后缓慢滑落到位，调整高度、左右、拧紧螺丝固定。
综上所述：
广州西塔幕墙工程采用了较为先进的单元式幕墙系统，通过对其细部构造的精心改造，使幕墙在保证建筑双曲面要求的前提下，不仅具有优良的气密性、水密性、抗风压及平面变形能力，而且达到了较高的节能环保要求。与此同时，通过采用先进的施工技术，精心施工组织严格过程控制，使本工程取得了良好的社会和经济效益。